一种取向氧化石墨烯改性碳纤维复合材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种取向氧化石墨烯改性碳纤维复合材料，其特征在于：该复合材料由多个以下复合材料单元依次叠加而成，所述的复合材料单元包括碳纤维布层、环氧树脂基体层和位于碳纤维布层与环氧树脂基体层之间的氧化石墨烯层，所述的氧化石墨烯层中的氧化石墨烯取向地分散于碳纤维布层与环氧树脂基体层之间并且取向方向与碳纤维布层的碳纤维方向平行。本发明通过自然沉降工艺，不用有机溶剂，通过氧化石墨烯自身表面的官能团的亲和力，使得氧化石墨烯取向并相互牢固得结合在一起，在碳纤维表面形成一层致密的隔离膜，从而提高碳纤维复合材料的抗渗透能力。

说明书

技术领域

本发明属于聚合物基复合材料的制备领域，具体地说是涉及一种取向氧化石墨烯改性碳纤维复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纤维/环氧复合材料具有比强度和比刚度高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀，结构尺寸稳定性好以及便于大面积整体成型的独特优点,而被广泛应用于航空航天、体育器材、汽车等国民经济各个领域。但是碳纤维复合材料致密性不够好，对于氢气等特别小的分子的抗渗透能力欠佳。

石墨烯是当前最受瞩目的新型材料，它具有优异的力学性能(强度、模量)、电学性能及导热性能，因而成为近期人们研究的热点。有科研人员对石墨烯改善环氧树脂的力学性能进行了报道，研究表明少量石墨烯的加入可以有效改善环氧树脂的强度、韧性。Rafiee等的研究表明，石墨烯在改善环氧树脂的力学性能方面要优于碳纳米管，主要是由于石墨烯具有更高的比表面积及石墨烯粗糙表面与环氧基体互相啮合导致更强的界面结合。

发明内容

为了解决现有技术所存在的上述问题，本发明提供一种取向氧化石墨烯改性碳纤维复合材料及其制备方法。它通过自然沉降工艺，不用有机溶剂，通过氧化石墨烯自身表面的官能团的亲和力，使得氧化石墨烯取向并相互牢固的结合在一起，并在碳纤维表面形成一层致密的隔离膜，从而提高材料整体的抗渗透能力。

本发明包括如下技术方案：

一、技术方案一：

一种取向氧化石墨烯改性碳纤维复合材料，其特征在于：该复合材料由多个以下复合材料单元依次叠加而成，所述的复合材料单元包括碳纤维布层、环氧树脂基体层和位于碳纤维布层与环氧树脂基体层之间的氧化石墨烯层，所述的氧化石墨烯层中的氧化石墨烯取向地分散于碳纤维布层与环氧树脂基体层之间并且取向方向与碳纤维布层的碳纤维方向平行。

进一步地，所述氧化石墨烯层与所述的碳纤维布层的质量比为0.001-0.10：1。

二、技术方案二：

取向氧化石墨烯改性碳纤维复合材料的制备方法，其步骤如下：

1)取氧化石墨烯，配成浓度为0.05-5mg/ml的氧化石墨烯水溶液，用超声功率为300-1000W的超声设备超声10-60分钟；

将碳纤维布贴合在容器底部，然后将步骤1)超声好的氧化石墨烯水溶液均匀的倒入上述容器中，接着将碳纤维布中的气泡赶出并使碳纤维布贴合在容器底部，之后将容器放入烘箱中，80℃干燥24小时；

之后在沉积有氧化石墨烯的碳纤维布表面均匀涂覆上环氧树脂层，即得复合材料单元；

2)之后通过层压工艺，将多层复合材料单元在温度为150℃且压力为5MPa下热压2小时，即得所述的取向氧化石墨烯改性碳纤维复合材料。

本发明提供的取向氧化石墨烯改性碳纤维复合材料是通过自然沉降工艺，不用有机溶剂，通过氧化石墨烯自身表面的官能团的亲和力，使得氧化石墨烯取向并相互牢固得结合在一起，在碳纤维表面形成一层致密的隔离膜，再用层压法与环氧树脂复合到一起，最后固化得到复合材料制品。

本发明的原理如下：本技术通过自然沉降工艺，不用有机溶剂，通过氧化石墨烯自身表面的官能团的亲和力，使得氧化石墨烯取向并相互牢固得结合在一起，在碳纤维表面形成一层致密的隔离膜，从而提高碳纤维复合材料的抗渗透能力。

较之前的现有技术而言，本发明具有如下优点：

本发明通过自然沉降工艺，不用有机溶剂，通过氧化石墨烯自身表面的官能团的亲和力，使得氧化石墨烯取向并相互牢固得结合在一起，在碳纤维表面形成一层致密的隔离膜，从而提高碳纤维复合材料的抗渗透能力。

附图说明

图1是未加氧化石墨烯的碳纤维/环氧复合材料与本发明的复合材料的氦气渗透率比较图。

具体实施方式

实施例1

1)取一定量的氧化石墨烯，配成0.05mg/ml的水溶液，超声10min，超声功率为300W。

2)将步奏1)超声好的氧化石墨烯溶液均匀的倒入放有碳纤维布的培养皿中，用玻璃棒将碳纤维布中的气泡赶出，使其贴和培养皿底部，放入烘箱，80℃干燥24小时。

3)在步奏2)处理好的碳纤维布表面均匀涂覆上环氧树脂，即得复合材料单元；

4)之后通过层压工艺，将多层复合材料单元在温度为150℃且压力为5MPa下热压2小时，即得所述的取向氧化石墨烯改性碳纤维复合材料。

实施例2

1)取一定量的氧化石墨烯，配成0.1mg/ml的水溶液，超声20min，超声功率为500W。

2)将步奏1)超声好的氧化石墨烯溶液均匀的倒入放有碳纤维布的培养皿中，用玻璃棒将碳纤维布中的气泡赶出，使其贴和培养皿底部，放入烘箱，80℃干燥24小时。

3)在步奏2)处理好的碳纤维布表面均匀涂覆上环氧树脂，即得复合材料单元；

4)之后通过层压工艺，将多层复合材料单元在温度为150℃且压力为5MPa下热压2小时，即得所述的取向氧化石墨烯改性碳纤维复合材料。

实施例3

1)取一定量的氧化石墨烯，配成5mg/ml的水溶液，超声60min，超声功率为1000W。

2)将步奏1)超声好的氧化石墨烯溶液均匀的倒入放有碳纤维布的培养皿中，用玻璃棒将碳纤维布中的气泡赶出，使其贴和培养皿底部，放入烘箱，80℃干燥24小时。

3)在步奏2)处理好的碳纤维布表面均匀涂覆上环氧树脂，即得复合材料单元；

4)之后通过层压工艺，将多层复合材料单元在温度为150℃且压力为5MPa下热压2小时，即得所述的取向氧化石墨烯改性碳纤维复合材料。

实施例4

1)取一定量的氧化石墨烯，配成0.5mg/ml的水溶液，超声30min，超声功率为400W。

2)将步奏1)超声好的氧化石墨烯溶液均匀的倒入放有碳纤维布的培养皿中，用玻璃棒将碳纤维布中的气泡赶出，使其贴和培养皿底部，放入烘箱，80℃干燥24小时。

3)在步奏2)处理好的碳纤维布表面均匀涂覆上环氧树脂，即得复合材料单元；

4)之后通过层压工艺，将多层复合材料单元在温度为150℃且压力为5MPa下热压2小时，即得所述的取向氧化石墨烯改性碳纤维复合材料。

实施例5

1)取一定量的氧化石墨烯，配成1mg/ml的水溶液，超声30min，超声功率为600W。

2)将步奏1)超声好的氧化石墨烯溶液均匀的倒入放有碳纤维布的培养皿中，用玻璃棒将碳纤维布中的气泡赶出，使其贴和培养皿底部，放入烘箱，80℃干燥24小时。

3)在步奏2)处理好的碳纤维布表面均匀涂覆上环氧树脂，即得复合材料单元；

4)之后通过层压工艺，将多层复合材料单元在温度为150℃且压力为5MPa下热压2小时，即得所述的取向氧化石墨烯改性碳纤维复合材料。

实施例6

1)取一定量的氧化石墨烯，配成3mg/ml的水溶液，超声60min，超声功率为800W。

2)将步奏1)超声好的氧化石墨烯溶液均匀的倒入放有碳纤维布的培养皿中，用玻璃棒将碳纤维布中的气泡赶出，使其贴和培养皿底部，放入烘箱，80℃干燥24小时。

3)在步奏2)处理好的碳纤维布表面均匀涂覆上环氧树脂，即得复合材料单元；

4)之后通过层压工艺，将多层复合材料单元在温度为150℃且压力为5MPa下热压2小时，即得所述的取向氧化石墨烯改性碳纤维复合材料。

图1是未加氧化石墨烯的碳纤维/环氧复合材料与本发明的复合材料的氦气渗透率比较图。如图1所示，未加氧化石墨烯的碳纤维/环氧复合材料的抗渗透能力明显低于本发明的复合材料的抗渗透能力。